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信号分子[在细胞内传递信息的化学分子]

 fjgsd 2022-08-27 发表于广东
信号分子
信号分子
在细胞内传递信息的化学分子
信号分子是指生物体内的某些化学分子,它们既不是营养物,又非能源物质和结构物质,也不是酶,而是用来在细胞间和细胞内传递信息的物质,它们唯一的功能是与细胞受体,如激素、局部介质、神经递质等结合并传递信息。信号分子根据溶解性通常可分为亲脂性和亲水性的两类。
基本信息
中文名
信号分子
外文名
signalling molecules
作用
用来在细胞间和细胞内传递信息
简介
指生物体内的某些化学分子
功能
同细胞受体结合, 传递细胞信息
类型
人体中有几百种不同的信号分子,按照其分泌腺体或细胞种类,运载体以及作用的靶细胞位置。
种类
分泌细胞
运载体
作用的靶细胞位置
旁分泌激素(局部介质)
(如组织胺、生长因子等)
旁分泌细胞
细胞间液
在众多相邻细胞间、非常有限范围内发生作用
内分泌激素
(如甲状腺激素胰岛素等)
内分泌腺细胞
血液
远距离的靶细胞
神经激素
(如抗利尿激素催产素等)
下丘脑的神经分泌细胞
血液
远距离的靶细胞
神经递质
(如乙酰胆碱、C-氨基丁酸等)
神经细胞
突触间隙胞间液
直接作用在相邻的神经元或其他特殊的相邻细胞(如肌细胞)
“第一信使”和“第二信使”一般将细胞外信号分子称为“第一信使”,激素、神经递质等是由细胞合成和释放的,通过扩散或体液运送,是人体信息传递的“第一信使”。“第一信使”与受体作用后在细胞内最早产生的信号物质称为“第二信使”。目前公认的“第二信使”有cAMPcGMP、三磷酸肌醇(IP3)、
等,功能是启动和协助细胞内信号的逐级放大。
亲水性和亲脂性信号分子
根据信号分子的溶解性可分为亲水性和亲脂性两类。亲水性信号分子的主要代表是神经递质、含氮类激素(除甲状腺激素)、局部介质等,它们不能穿过靶细胞膜,只能通过与细胞表面受体结合,再经信号转换机制,在细胞内产生“第二信使”(如cAMP)或激活膜受体的激酶活性(如蛋白激酶),跨膜传递信息,以启动一系列反应而产生特定的生物学效应。
亲脂性信号分子要穿过细胞质膜作用于细胞质或细胞核中的受体,与胞内受体结合形成激素-受体复合物,成为转录促进因子,作用于特异的基因调控序列,启动基因的转录和表达,主要代表是类固醇激素、甲状腺激素等。
特点
信号分子具有特异性、高效性和可被灭活的特点。
1.特异性:只能与特定的受体结合;
2.高效性:几个分子即可发生明显的生物学效应,如各种激素在血液中的浓度极低,一般在每100mL血液中只有几ug甚至几ng,但对人体的生理调节作用却非常重大;
3.可被灭活:当完成一次信号应答后,信号分子会通过修饰、水解或结合等方式失去活性而被及时消除,以保证信息传递的完整性和细胞免于疲劳。
作用
多细胞生物中有几百种不同的信号分子在细胞间传递信息,这些信号分子中有蛋白质、多肽、氨基酸衍生物、核苷酸、胆固醇、脂肪酸衍生物以及可溶解的气体分子等。
根据信号分子的溶解性分为水溶性信息和脂溶性信息,前者作用于细胞表面受体,后者要穿过细胞质膜作用于胞质溶胶或细胞核中的受体。
其实,信号分子本身并不直接作为信息,它的基本功能只是提供一个正确的构型及与受体结合的能力,就像钥匙与锁一样,信号分子相当于钥匙,因为只要有正确的形状和缺齿就可以插进锁中并将锁打开。至于锁开启后干什么,由开锁者决定了。
作用环境
细胞外
信号分子及信号传
在一定条件下,细胞外的化学信号能引发细胞的定向移动。这些信号有些时候是底质表面上一些难溶物质,有些时候则是可溶物质。信号分子有很多,可以是肽,代谢产物,细胞壁或是细胞膜的残片,信息分子的作用是与靶细胞的受体结合,改变受体的性质和作用,完成一系列的反应,去激活或抑制肌动蛋白结合蛋白的活性,最终改变细胞骨架的状态。亲水性信息分子不能穿过细胞膜,其受体在靶细胞的膜上,亲脂性信息分子易穿过细胞膜,其受体存在于靶细胞的胞浆及细胞核中。可溶物质通常不是均匀溶解在溶剂中,而是靠近源的区域浓度高,远离源的区域浓度低,形成所谓的“浓度梯度”。细胞膜上的受体可感受到那些被称为化学趋向吸引物(chemotacticattractant),并且逆着它们的浓度梯度去追根寻源。某些信号分子甚至会影响细胞移行的速度,这些信号分子则被称为化学趋向剂(chemokineticagent)。细胞这种因化学分子改变自己移动的行为,被称为化学趋向性。例如盘基网柄菌(Dictyosteliumdiscoideum)会逆着cAMP浓度梯度的运动。白血球也会受到一些细菌分泌的三肽化学物质f-Met-Leu-Phe(N-甲蛋-亮-苯丙氨酸)吸引而往细菌移动,发挥其免疫功能。而在胚胎发生中的神经嵴细胞则并非靠浓度梯度,而是路标物质识别其去向(请见下文“路标信号”一节)。
但是细胞外基质中也存在着一些蛋白,如硫酸软骨蛋白多糖(chondroitinsulfateproteoglycan)会与神经细胞的粘着蛋白起作用,对细胞迁移形成阻滞。它会抑制脊髓损伤患者神经损伤区域新突触的相连与再生。
细胞内
信号分子
细胞外信号种类繁多,但是当它们与细胞膜上受体结合之后,作用的途径却只有有限的几种。而与细胞迁移有关的信号传导过程如下:信号分子结合到膜上受体,或者是激活与受体偶联的蛋白质—大G蛋白,或者先是激活受体酪氨酸激酶,再激活下游的小G蛋白Ras。G蛋白是一个很大的家族,包括Rho,Rac,Ras等小家族,它们在细胞中扮演着信号传导开关的角色。当它们与GDP结合时,呈现失活状态。在鸟嘌呤交换因子(英文:Guanin exchangefactor,简称GEF)的帮助下,G蛋白脱离GDP并与GTP结合,进入激活状态。G蛋白的GTP会被GTP酶激活蛋白(英文GTPase-activatingproteins,简称GAP)水解,并释放出其中的能量,让G蛋白行使其功能。就是说,G蛋白通过这一GTP“GDP循环在激活“失活状态中回旋,传递信号。当G蛋白被激活后,它下游的多种分子会被激活。
而致癌物质也可以通过这些信号传导通路发挥其负面作用,如强烈致癌物质佛波(Phorbolester)。佛波酯会不可逆地激活细胞的RasGRP3“4,以激活Ras,Ras会再激活蛋白激酶C(ProteinkinaseC,PKC)。后者是调节细胞分裂和分化的酶。它被佛波酯不正常的激活,有可能对癌症的产生起促进作用。研究还发现,佛波酯对黑素瘤(melanoma)细胞转移到肺部有促进作用。而细菌者,如志贺氏菌会在宿主胞膜上打洞,向细胞质注入效应蛋白质,激活宿主Rac和Cdc42,调整细胞的微丝网络,以使自己顺利进入宿主内。
传导方式
激素(hormone)
三种不同类型的信号分子及其信号传导方式激素是由内分泌细胞(如肾上腺、睾丸、卵巢、胰腺、甲状腺、甲状旁腺和垂体)合成的化学信号分子,一种内分泌细胞基本上只分泌一种激素,参与细胞通讯的激素有三种类型:蛋白与肽类激素、类固醇激素、氨基酸衍生物激素。
通过激素传递信息是最广泛的一种信号传导方式,这种通讯方式的距离最远,覆盖整个生物体。在动物中,产生激素的细胞是内分泌细胞,所以将这种通讯称为内分泌信号(endocrinesignaling)。
局部介质
局部介质(localmediators)是由各种不同类型的细胞合成并分泌到细胞外液中的信号分子,它只能作用于周围的细胞。通常将这种信号传导称为旁分泌信号(paracrinesignaling),以便与自分泌信号相区别。有时这种信号分子也作用于分泌细胞本身,如前列腺素(prostaglandin,PG)是由前列腺合成分泌的脂肪酸衍生物(主要是由花生四烯酸合成的),它不仅能够控制邻近细胞的活性,也能作用于合成前列腺素细胞自身,通常将由自身合成的信号分子作用于自身的现象称为自分泌信号(autocrinesignaling)。
神经递质
神经递质(neurotransmitters)是由神经末梢释放出来的小分子物质,是神经元与靶细胞之间的化学信使。由于神经递质是神经细胞分泌的,所以这种信号又称为神经信号(neuronalsignaling)。
依赖于细胞接触的信号传导
通过细胞的接触,包括通过细胞粘着分子介导的细胞间粘着、细胞与细胞外基质的粘着、连接子(植物细胞为胞间连丝)介导的信号传导。
通过细胞接触进行的通讯中,信号分子位于细胞质膜上,两个细胞通过信号分子的接触传递信息。

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